Altres articles de la sèrie:
- Història del relleu
- Història dels ordinadors electrònics
- Història del transistor
- Història d'Internet
El camí cap als commutadors d'estat sòlid ha estat llarg i difícil. Va començar amb el descobriment que certs materials es comporten de manera estranya en presència d'electricitat, no com prediuen les teories existents. El que va seguir va ser una història de com la tecnologia es va convertir en una disciplina cada cop més científica i institucional al segle XX. Els aficionats, novells i inventors professionals sense pràcticament cap educació científica van fer contribucions serioses al desenvolupament del telègraf, la telefonia i la ràdio. Però, com veurem, gairebé tots els avenços en la història de l'electrònica d'estat sòlid han vingut de científics que van estudiar a les universitats (i solen tenir un doctorat en física) i van treballar a universitats o laboratoris de recerca corporatius.
Qualsevol persona amb accés a un taller i coneixements bàsics de materials pot muntar un relé amb cables, metall i fusta. La creació de tubs de buit requereix eines més especialitzades que puguin crear una bombeta de vidre i expulsar-ne l'aire. Els dispositius d'estat sòlid van desaparèixer per un forat de conill del qual l'interruptor digital no va tornar mai, i es van enfonsar cada cop més en mons intel·ligibles només per a les matemàtiques abstractes i accessibles només amb l'ajuda d'equips increïblement cars.
Galena
L'any 1874 , un físic de 24 anys de St. Thomas a Leipzig, va publicar la primera de moltes obres científiques importants en la seva llarga carrera. El document, "Sobre el pas dels corrents elèctrics a través dels sulfurs metàl·lics", va ser acceptat a Annalen de Pogendorff, una prestigiosa revista dedicada a les ciències físiques. Malgrat el títol avorrit, l'article de Brown va descriure alguns resultats experimentals sorprenents i desconcertants.
Ferdinand Brown
Brown es va intrigar pels sulfurs (cristalls minerals compostos de compostos de sofre amb metalls) a través del seu treball . Ja el 1833, Michael Faraday va assenyalar que la conductivitat del sulfur de plata augmenta amb la temperatura, que és exactament el contrari del comportament dels conductors metàl·lics. Hittorf va compilar un informe quantitatiu exhaustiu de mesures d'aquest efecte a la dècada de 1850, tant per als sulfurs de plata com de coure. Ara Brown, utilitzant una configuració experimental intel·ligent que pressionava un cable metàl·lic contra un cristall de sulfur amb una molla per garantir un bon contacte, va descobrir alguna cosa encara més estranya. La conductivitat dels cristalls depenia de la direcció; per exemple, el corrent podia fluir bé en una direcció, però quan s'invertia la polaritat de la bateria, el corrent podia baixar bruscament. Els cristalls actuaven més com a conductors en una direcció (com els metalls normals) i més com a aïllants en una altra (com el vidre o el cautxú). Aquesta propietat es va conèixer com a rectificació a causa de la seva capacitat per redreçar el corrent altern "engastat" en corrent continu "plan".
Al voltant de la mateixa època, els investigadors van descobrir altres propietats estranyes de materials com el seleni, que es podia fondre a partir de certs minerals de sulfur metàl·lic. Quan s'exposava a la llum, el seleni augmentava la conductivitat i fins i tot començava a generar electricitat, i també es podia utilitzar per a la rectificació. Hi havia alguna connexió amb els cristalls de sulfur? Sense models teòrics per explicar què estava passant, el camp estava en un estat de confusió.
Tanmateix, la manca de teoria no va aturar els intents d'aplicar pràcticament els resultats. A finals de la dècada de 1890, Brown es va convertir en professor a la Universitat d'Estrasburg, annexada recentment a França durant el i rebatejada Universitat Kaiser Wilhelm. Allà va ser absorbit pel nou i emocionant món de la radiotelegrafia. Va acceptar una proposta d'un grup d'emprenedors per crear conjuntament un sistema de comunicació sense fil basat en la transmissió d'ones de ràdio a través de l'aigua. No obstant això, ell i els seus còmplices aviat van abandonar la idea original a favor de la senyalització aerotransportada, que va ser utilitzada per Marconi i altres.
Entre els aspectes de la ràdio que el grup de Brown va intentar millorar hi havia el receptor estàndard d'aleshores, . Es va basar en el fet que les ones de ràdio feien que les llimades metàl·liques s'agrupessin, permetent que el corrent de la bateria passés al dispositiu de senyalització. Va funcionar, però el sistema només va respondre a senyals relativament forts i va requerir un cop constant del dispositiu per trencar un tros de serradures. Brown va recordar els seus antics experiments amb cristalls de sulfur, i el 1899 va recrear la seva antiga configuració experimental amb un nou propòsit: servir com a detector de senyals sense fil. Va utilitzar l'efecte de rectificació per convertir el petit corrent oscil·lant generat pel pas de les ones de ràdio en un corrent continu que podria alimentar un petit altaveu que produïa un clic audible per a cada punt o guió. Aquest dispositiu es va conèixer més tard com ""a causa de l'aspecte del cable, que tocava fàcilment la part superior del cristall. A l'Índia britànica (on avui es troba Bangla Desh), el científic i inventor Jagadish Bose va construir un dispositiu similar, possiblement ja el 1894. Altres aviat van començar a fabricar detectors similars basats en silici i carburund (carbur de silici).
Tanmateix, ho és , el sulfur de plom, que s'ha fos per produir plom des de l'antiguitat, s'ha convertit en el material preferit per als detectors de cristalls. Eren fàcils de fer i barats, i com a resultat es van fer increïblement populars entre la primera generació de radioaficionats. A més, a diferència d'un coherer binari (amb serradures que s'agrupen o no), un rectificador cristal·lí podria reproduir un senyal continu. Per tant, podia produir veu i música audibles a l'oïda, i no només codi Morse amb els seus punts i guions.
Detector de bigotis de gat basat en galena. El petit tros de filferro de l'esquerra és el bigoti, i el tros de material platejat de la part inferior és el cristall de galena.
Tanmateix, tal com van descobrir aviat els ràdioaficionats frustrats, podrien trigar minuts o fins i tot hores a trobar el punt màgic a la superfície del cristall que donaria una bona rectificació. I els senyals sense amplificació eren febles i tenien un so metàl·lic. A la dècada de 1920, els receptors de tubs de buit amb amplificadors de triode havien fet pràcticament obsolets els detectors de cristall a gairebé tot arreu. La seva única característica atractiva era la seva barata.
Aquesta breu aparició a l'àmbit de la ràdio semblava ser el límit de l'aplicació pràctica de les estranyes propietats elèctriques del material descobert per Brown i altres.
Òxid de coure
Aleshores, a la dècada de 1920, un altre físic anomenat Lars Grondahl va descobrir alguna cosa estranya amb la seva configuració experimental. Grondahl, el primer d'una sèrie d'homes intel·ligents i inquiets a la història de l'oest americà, era fill d'un enginyer civil. El seu pare, que va emigrar de Noruega el 1880, va treballar durant diverses dècades als ferrocarrils a Califòrnia, Oregon i Washington. Al principi, Grondahl semblava decidit a deixar enrere el món de l'enginyeria del seu pare, anant a Johns Hopkins per obtenir un doctorat en física per seguir un camí acadèmic. Però després es va involucrar en el negoci del ferrocarril i va ocupar un càrrec de director d'investigació a Union Switch and Signal, una divisió del gegant industrial. , que subministrava equipament per a la indústria ferroviària.
Diverses fonts indiquen raons contradictòries per a la motivació de Grondahl per a la seva investigació, però sigui com fos, va començar a experimentar amb discos de coure escalfats per un costat per crear una capa oxidada. Mentre treballava amb ells, va notar l'asimetria del corrent: la resistència en una direcció era tres vegades més gran que en l'altra. Un disc de coure i òxid de coure va rectificar el corrent, igual que un cristall de sulfur.
Circuit rectificador d'òxid de coure
Grondahl va passar els següents sis anys desenvolupant un rectificador comercial llest per a l'ús basat en aquest fenomen, demanant l'ajuda d'un altre investigador nord-americà, Paul Geiger, abans de presentar una sol·licitud de patent i anunciar el seu descobriment a l'American Physical Society el 1926. El dispositiu. immediatament es va convertir en un èxit comercial. A causa de l'absència de filaments fràgils, era molt més fiable que el rectificador de tub de buit basat en el principi de la vàlvula de Fleming, i era més barat de fabricar. A diferència dels cristalls rectificadors Brown, va funcionar al primer intent i, a causa de l'àrea de contacte més gran entre el metall i l'òxid, va funcionar amb un rang més gran de corrents i voltatges. Podria carregar bateries, detectar senyals en diversos sistemes elèctrics i actuar com a derivació de seguretat en generadors potents. Quan s'utilitzaven com a fotocèl·lula, els discos podien actuar com a mesuradors de llum i eren especialment útils en fotografia. Altres investigadors al mateix temps van desenvolupar rectificadors de seleni que van trobar aplicacions similars.
Un paquet de rectificadors a base d'òxid de coure. Un conjunt de diversos discos va augmentar la resistència inversa, cosa que va permetre utilitzar-los amb alt voltatge.
Uns anys més tard, dos físics de Bell Labs, Joseph Becker i , van decidir estudiar el principi de funcionament d'un rectificador de coure: els interessava aprendre com funcionava i com es podia utilitzar al sistema Bell.
Brattain en la vellesa - aprox. 1950
Brattain era de la mateixa zona que Grondal, al nord-oest del Pacífic, on va créixer en una granja a pocs quilòmetres de la frontera canadenca. Al batxillerat, es va interessar per la física, mostrant aptitud en el camp, i finalment es va doctorar a la Universitat de Minnesota a finals dels anys 1920, i va agafar feina als Laboratoris Bell el 1929. Entre altres coses, va estudiar a la universitat. l'última física teòrica, que estava guanyant popularitat a Europa, i coneguda com a mecànica quàntica (el seu comissari va ser , que també va ser mentor de John Atanasoff).
Revolució quàntica
Una nova plataforma teòrica s'ha desenvolupat lentament durant les últimes tres dècades, i amb el seu temps podrà explicar tots els estranys fenòmens que s'han observat durant anys en materials com la galena, el seleni i l'òxid de coure. Tota una cohort de físics en la seva majoria joves, principalment d'Alemanya i països veïns, va provocar una revolució quàntica en la física. Allà on miraven, no trobaven el món suau i continu que els havien ensenyat, sinó grumolls estranys i discrets.
Tot va començar a la dècada de 1890. Max Planck, un famós professor de la Universitat de Berlín, va decidir treballar amb un conegut problema sense resoldre: com “"(una substància ideal que absorbeix tota l'energia i no la reflecteix) emet radiació en l'espectre electromagnètic? Es van provar diversos models, cap dels quals va coincidir amb els resultats experimentals: van fallar en un extrem de l'espectre o en l'altre. Planck va descobrir que si suposem que l'energia és emesa per un cos en petits "paquets" de quantitats discretes, llavors podem escriure una llei simple de la relació entre freqüència i energia, que coincideix perfectament amb els resultats empírics.
Poc després, Einstein va descobrir que passava el mateix amb l'absorció de llum (el primer indici de fotons), i J. J. Thomson va demostrar que l'electricitat també era transportada no per un fluid o ona continu, sinó per partícules discretes: electrons. Aleshores, Niels Bohr va crear un model per explicar com els àtoms excitats emeten radiació assignant electrons a òrbites individuals de l'àtom, cadascuna amb la seva pròpia energia. Tanmateix, aquest nom és enganyós perquè no es comporten gens com les òrbites dels planetes: en el model de Bohr, els electrons van saltar instantàniament d'una òrbita, o nivell d'energia, a una altra, sense passar per un estat intermedi. Finalment, a la dècada de 1920, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born i altres van crear una plataforma matemàtica generalitzada coneguda com a mecànica quàntica, incorporant tots els models quàntics especials que s'havien creat durant els vint anys anteriors.
En aquest moment, els físics ja estaven segurs que materials com el seleni i la galena, que presentaven propietats fotovoltaiques i rectificadores, pertanyien a una classe separada de materials, que van anomenar semiconductors. La classificació va trigar tant per diversos motius. En primer lloc, les categories "conductors" i "aïllants" eren força àmplies. T.N. Els "conductors" variaven enormement en conductivitat, i el mateix (en menor mesura) passava amb els aïllants, i no era obvi com es podia classificar un conductor en particular en qualsevol d'aquestes classes. A més, fins a mitjans del segle XX era impossible obtenir o crear substàncies molt pures, i qualsevol curiositat en la conductivitat dels materials naturals sempre es podia atribuir a la contaminació.
Els físics disposaven ara de les eines matemàtiques de la mecànica quàntica i d'una nova classe de materials als quals es podien aplicar. teòric britànic va ser el primer a reunir-ho tot i construir un model general de semiconductors i com funcionen el 1931.
Al principi, Wilson va argumentar que els materials conductors difereixen dels dielèctrics en l'estat de les seves bandes d'energia. La mecànica quàntica afirma que els electrons poden existir en un nombre limitat de nivells d'energia que es troben a les capes, o orbitals, dels àtoms individuals. Si apreteu aquests àtoms junts en l'estructura d'un material, seria més correcte imaginar-hi zones d'energia contínua que hi travessen. Hi ha espais buits als conductors en bandes d'alta energia, i el camp elèctric pot moure electrons lliurement allà. En els aïllants, les zones s'omplen i és una pujada bastant llarga per arribar a la zona més alta i conductora, per on és més fàcil que l'electricitat circuli.
Això el va portar a la conclusió que les impureses (àtoms estrangers a l'estructura d'un material) han de contribuir a les seves propietats semiconductors. Poden subministrar electrons addicionals, que escapen fàcilment a la banda de conducció, o forats, una manca d'electrons en relació amb la resta del material, que crea espais buits d'energia on els electrons lliures es poden moure. La primera opció es va anomenar més tard semiconductors de tipus n (o electrònics) a causa de l'excés de càrrega negativa, i la segona - semiconductors de tipus p o forat a causa de l'excés de càrrega positiva.
Finalment, Wilson va proposar que la rectificació actual dels semiconductors es podria explicar en termes quàntics. , el salt sobtat d'electrons a través d'una fina barrera elèctrica en un material. La teoria semblava plausible, però preveia que al rectificador el corrent hauria de fluir de l'òxid al coure, tot i que en realitat era al revés.
Així, malgrat tots els avenços de Wilson, els semiconductors continuaven sent difícils d'explicar. A mesura que es va anar fent evident, els canvis microscòpics en l'estructura del cristall i la concentració d'impureses van afectar de manera desproporcionada el seu comportament elèctric macroscòpic. Ignorant la manca de comprensió -ja que ningú podia explicar les observacions experimentals fetes per Brown 60 anys abans-, Brattain i Becker van desenvolupar un procés de fabricació eficient de rectificadors d'òxid de coure per al seu empresari. El sistema Bell va començar ràpidament a substituir els rectificadors de tubs de buit a tot el sistema per un nou dispositiu que els seus enginyers van anomenar , ja que la seva resistència variava segons la direcció.
medalla d'or
Mervyn Kelly, un físic i antic cap del departament de tubs de buit de Bell Labs, es va interessar molt en aquest desenvolupament. Al llarg d'un parell de dècades, els tubs de buit van proporcionar a Bell un servei inestimable i van poder realitzar funcions que no eren possibles amb la generació anterior de components mecànics i electromecànics. Però s'escalfaven, s'escalfaven regularment, consumien molta energia i eren difícils de mantenir. Kelly tenia la intenció de reconstruir el sistema de Bell amb components electrònics d'estat sòlid més fiables i duradors, com ara varistors, que no requerissin caixes segellades, plenes de gas o buides ni filaments calents. El 1936, va esdevenir cap del departament d'investigació de Bell Labs, i va començar a reorientar l'organització cap a un nou camí.
Després d'haver obtingut un rectificador d'estat sòlid, el següent pas obvi va ser crear un amplificador d'estat sòlid. Naturalment, com un amplificador de tubs, aquest dispositiu també podria funcionar com a interruptor digital. Això va ser d'interès particular per a l'empresa de Bell, ja que els interruptors telefònics encara utilitzaven un gran nombre d'interruptors digitals electromecànics. L'empresa buscava un reemplaçament més fiable, més petit, eficient energèticament i més fresc per al tub de buit en sistemes telefònics, ràdios, radars i altres equips analògics, on s'utilitzaven per amplificar senyals febles a nivells que l'oïda humana podia escoltar.
El 1936, els Laboratoris Bell van aixecar finalment la congelació de la contractació imposada durant . Kelly va començar immediatament a reclutar experts en mecànica quàntica per ajudar a llançar el seu programa de recerca en estat sòlid, inclòs , un altre nadiu de la costa oest, de Palo Alto, Califòrnia. El tema de la seva recent dissertació del MIT s'adaptava perfectament a les necessitats de Kelly: "Bandes d'electrons en clorur de sodi".
Brattain i Becker van continuar la seva investigació sobre el rectificador d'òxid de coure durant aquest temps, buscant un amplificador d'estat sòlid millorat. La manera més òbvia de fer-ho era seguir l'analogia amb un tub de buit. Igual que Lee de Forest va agafar un amplificador de tubs i entre el càtode i l'ànode, i Brattain i Becker van imaginar com es podia inserir una malla a la unió de coure i òxid de coure, on se suposava que s'havia de produir la rectificació. Tanmateix, a causa del petit gruix de la capa, els va resultar impossible fer-ho i no van tenir èxit.
Mentrestant, altres desenvolupaments van demostrar que Bell Labs no era l'única empresa interessada en l'electrònica d'estat sòlid. El 1938, Rudolf Hilsch i Robert Pohl van publicar els resultats dels experiments realitzats a la Universitat de Göttingen sobre un amplificador d'estat sòlid en funcionament creat mitjançant la introducció d'una graella en un cristall de bromur de potassi. Aquest dispositiu de laboratori no tenia cap valor pràctic, principalment perquè funcionava a una freqüència de no més d'1 Hz. I, tanmateix, aquest assoliment no podia deixar de agradar a tots els interessats en l'electrònica d'estat sòlid. Aquell mateix any, Kelly va assignar Shockley a un nou grup de recerca independent de dispositius d'estat sòlid i li va donar a ell i als seus col·legues Foster Nix i Dean Woolridge carta blanca per explorar les seves capacitats.
Almenys dos inventors més van aconseguir crear amplificadors d'estat sòlid abans de la Segona Guerra Mundial. El 1922, físic i inventor soviètic va publicar els resultats d'experiments reeixits amb semiconductors de zincita, però el seu treball va passar desapercebut per la comunitat occidental; El 1926, l'inventor nord-americà Julius Lillenfield va sol·licitar una patent per a un amplificador d'estat sòlid, però no hi ha proves que el seu invent funcionés.
La primera visió important de Shockley en la seva nova posició es va produir mentre llegia el treball de 1938 del físic britànic Neville Moth, The Theory of Crystalline Rectifiers, que finalment va explicar el principi de funcionament del rectificador d'òxid de coure de Grondahl. Mott va utilitzar les matemàtiques de la mecànica quàntica per descriure la formació d'un camp elèctric a la unió d'un metall conductor i un òxid semiconductor, i com els electrons "salten" per sobre d'aquesta barrera elèctrica, en lloc de fer un túnel com va proposar Wilson. El corrent flueix més fàcilment del metall al semiconductor que a la inversa perquè el metall té molts més electrons lliures.
Això va portar a Shockley a la mateixa idea que Brattain i Becker havien considerat i rebutjat anys abans: fer un amplificador d'estat sòlid inserint una malla d'òxid de coure entre el coure i l'òxid de coure. Esperava que el corrent que fluïa per la xarxa augmentaria la barrera que limitava el flux de corrent del coure a l'òxid, creant una versió invertida i amplificada del senyal a la xarxa. El seu primer intent cru va fracassar completament, així que va recórrer a un home amb habilitats de laboratori més refinades i familiaritzat amb els rectificadors: Walter Brattain. I, tot i que no tenia cap dubte sobre el resultat, Brattain va acceptar satisfer la curiositat de Shockley i va crear una versió més complexa de l'amplificador "grid". També es va negar a treballar.
Llavors va intervenir la guerra, deixant el nou programa de recerca de Kelly en desordre. Kelly es va convertir en el cap del grup de treball de radar a Bell Labs, amb el suport del principal centre d'investigació de radar dels EUA al MIT. Brattain va treballar per a ell breument, i després va passar a investigar sobre la detecció magnètica de submarins per a la marina. Woolridge va treballar en sistemes de control de foc, Nix va treballar en la difusió de gas per al Projecte Manhattan i Shockley es va dedicar a la investigació operativa, primer treballant en la guerra antisubmarina a l'Atlàntic i després en els bombardejos estratègics al Pacífic.
Però malgrat aquesta intervenció, la guerra no va aturar el desenvolupament de l'electrònica d'estat sòlid. Al contrari, va orquestrar una infusió massiva de recursos al camp, i va provocar una concentració de la recerca en dos materials: el germani i el silici.
Què més llegir
Ernest Bruan i Stuart MacDonald, Revolució en miniatura (1978)
Friedrich Kurylo i Charles Susskind, Ferdinand Braun (1981)
G. L. Pearson i W. H. Brattain, "History of Semiconductor Research", Proceedings of the IRE (desembre de 1955).
Michael Riordan i Lillian Hoddeson, Crystal Fire (1997)
Font: www.habr.com